Det er alltid morsomt med oppdagelser som bryter med det oppleste og vedtatte, jubler professor Ann-Cecilie Larsen p? Norsk senter for nukle?rfysikk. Sammen med norske og internasjonale kjernefysikere og astrofysikere har hun nylig publisert en vitenskapelig artikkel i Nature Reviews Physics som kan l?se en av naturvitenskapens store g?ter: Hvordan i alle dager er grunnstoffene i universet blitt dannet?
Helt ytterst i Melkeveien, alts? galaksen som du og jeg tilh?rer, finnes det noen helt spesielle stjerner som kalles for halostjerner. Selv om disse stjernene er fryktelig gamle, kan de gi oss nye svar i skapelsesberetningen.
Halostjernene best?r nesten utelukkende av hydrogen og helium, grunnstoffer som stammer fra den store Big Bang-eksplosjonen for 13,8 milliarder ?r siden.
De er i mindre grad enn solen og andre yngre stjerner blitt p?virket av ?avfallet? fra andre stjerner n?r tunge grunnstoffer er blitt dannet og slengt ut i det interstellare rommet.
Krasjkurs i atomkjerner
For ? forst? den nye forskningen, m? du kjenne til oppbygningen av et grunnstoff. Atomkjernene i grunnstoffer best?r av protoner (positivt ladde partikler) og n?ytroner (uladete partikler). Protoner og n?ytroner veier omtrent like mye. Antall protoner definerer hva slags grunnstoff det er snakk om. Antall n?ytroner definerer varianten av grunnstoffet. Disse variant-ene kalles for isotoper.
Tunge grunnstoffer har flere protoner enn lette grunnstoffer. Jo tyngre grunnstoffene er, desto st?rre er andelen n?ytroner enn andelen protoner.
To ulike oppskrifter
Frem til i dag har kjernefysikerne sett for seg to ulike bilder av hvordan de fleste grunnstoffene som er tyngre enn jern, er blitt dannet.
I enkelte ekstreme, astrofysiske hendelser kan atomkjerner fange inn n?ytroner. Da dannes det tyngre atomer. Noen ganger skjer dette sv?rt fort. Andre ganger utrolig sakte. I begge tilfellene trengs det masse n?ytroner i oppskriften. N?ytronene m? fanges inn i atomkjernen. Kjernefysikerne kaller dette for en n?ytroninnfangingsprosess.
Et eksempel p? en grunnstoff-fabrikk er en r?d kjempestjerne, slik som solen v?r vil bli den dagen den ?nder ut om fem milliarder ?r. Der er n?ytroninnfangingsprosessen sakte. Kjernefysikerne kaller den for s-prosessen, der s st?r for ?slow?. Vi snakker om skikkelig sakte saker. S-prosessen kan ta fra hundre tusen til én million ?r.
En annen og mye raskere mulighet for ? danne grunnstoffer, er i en voldsom kollisjon mellom to n?ytronstjerner. Her skjer alt p? noen f? sekunder. Kjernefysikerne kaller dette for r-prosess, der r st?r for ?rapid?.
Mystikken i halostjerner
N? kommer vi snart til poenget!
Noen halostjerner inneholder er tungt grunnstoff som kalles for barium. Disse halostjernene har f?tt i seg barium fra en r?d kjempestjerne som har slengt ut tunge grunnstoffer p? slutten av livet sitt. Bariumet er en signatur p? at grunnstoffet er blitt dannet p? sakte vis.
Noen halostjerner inneholder europium. Dette grunnstoffet stammer fra en kollisjon mellom to n?ytronstjerner og er derfor en signatur p? at grunnstoffet er blitt dannet i ekspressfart.
Frem til i dag har forskerne antatt at nesten alle de tunge grunnstoffene i stjerner og planeter er skapt gjennom s-prosessen (sakte reaksjon) eller r-prosessen (rask reaksjon).
Denne virkeligheten har kjernefysikerne levd helt greit med i mange ti?r. S? dukket den store overraskelsen opp.
Det finnes ogs? halostjerner som inneholder barium og europium, men som mangler grunnstoffet osmium.
– Dette skulle ikke g? an!
En n?ytronstjernekollisjon danner b?de europium og osmium.
– Her mangler vi et grunnstoff som skulle ha v?rt i stjernen. M?nsteret p? fordelingen av grunnstoffer er sv?rt merkelig. Hva har skjedd?
Observasjonene passet ikke inn i den etablerte forklaringen.
– Vi trodde vi hadde god oversikt, men s? kom disse s?re stjernene, ler Ann-Cecilie Larsen.
Det m?tte derfor v?re en annen forklaring.
Vi trodde vi hadde god oversikt, men s? kom disse s?re stjernene.
T?rket st?v av en glemt teori
P? 1970-tallet lanserte to astrofysikere en teori om at det ogs? finnes en prosess som ligger midt imellom den sakte og den raske prosessen. Denne prosessen er senere blitt kalt for i-prosessen, der i st?r for ?intermediate?, alts? en mellomting. Ingen brydde seg om den nye teorien.
– Fysikerne tenkte at teorien kun var en kuriositet og at det ikke var behov for den ettersom alt kunne forklares med den raske og den sakte prosessen.
Nesten f?rti ?r senere ble begrepet tatt opp igjen fordi disse halostjernene, og andre s?re, sjeldne stjerner, viser mystiske fordelinger av tunge grunnstoffer. Den eneste mulige forklaringen er at de er dannet gjennom en i-prosess.
– Vi har begynt ? skj?nne litt mer, men forskningen p? i-prosesser er vanskelig, bedyrer Larsen.
Kjernefysikerne p? UiO har likevel klart ? gjenskape fenomenet i syklotronen i kjelleren p? Fysisk institutt. De kan n? bekrefte at i-prosessen finnes.
– Uheldigvis er det stor variasjon i i-prosessen. Det er fortsatt mange ubesvarte sp?rsm?l, men vi bidrar med en viktig brikke i det store puslespillet.
Fryktelig komplisert. Ann-Cecilie Larsen lurer p? om i-prosessen ogs? har v?rt involvert i dannelsen av grunnstoffene i solsystemet v?rt.
– Hvis ja, har vi f?tt enda en spiller p? banen. Da blir alt fryktelig komplisert, forteller kjernefysikeren – og lover:
– Det legges mange nye puslespillbrikker i ?rene som kommer. Vi vil snart f? et mye bedre bilde av i-prosessen. Dette er bare starten!